势流体与N-S流体的应用及比较研究

随着我国西部输水工程的发展,流-固耦合模型的抗震分析问题日益严重。对于流-固耦合模型,若可以认为流体是无粘、无漩、无热转换、微可压缩流体,且流体域的边界运动很小,则选择基于势的亚音速公式计算更有效,因为这种流体建模仅仅包括一个节点未知量-速度势,否则要用基于N-S流体的流-固耦合公式进行计算。通过实例验证这两种流-固耦合模型的应用范围和有效性。计算结果显示：在满足基于势的亚音速公式假定情况下,选用势流体和选用N-S流体,其计算结果一致,且与基于N-S方程的模型相比,选择基于势的亚音速公式更有效。     

基于浸入边界-谱元法的流体柔性体耦合运动研究

为了模拟大变形柔性体与黏性流体耦合运动的动力学行为,该文发展了一套基于浸入边界-谱元法的数值模拟方法。该数值方法中,流体运动在欧拉坐标下采用谱元法模拟,柔性体运动在拉格朗日坐标系采用有限差分法求解,两者的耦合通过浸入边界法实现。首先对低雷诺数方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题进行数值模拟,并将计算结果与其它文献计算结果进行比较,验证了该耦合计算方法的可靠性。然后研究了高雷诺数下方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动情况,得到柔性结构的耦合振动特性和流场动态分布特征。该文的数值方法放宽了由大拉伸系数引起的稳定性限制,能更灵活地被运用于复杂柔性边界条件的情况,为后续对各种柔性体流体耦合的研究提供了基础。     

排架式渡槽流 固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流 固耦合动力特性，计算结果表明：排架式渡槽流 固耦合系统的模态可分为两类：一类为“流体振荡模态”，以流体的晃动为主，反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响；另一类为“结构振荡模态”，以结构的振动为主，反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响。提出了两种特征值问题的计算方法，将其应用于实例计算，讨论了两种方法的优缺点。     

排架式渡槽流一固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流一固耦合动力特性，计算结果表明排架式渡槽流一固耦合系统的模态可分为两类一类为“流体振荡模态”，以流体的晃动为主，反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响；另一类为“结构振荡模态”，以结构的振动为主，反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响．提出了两种特征值问题的计算方法，将其应用于实例计算，讨论了两种方法的优缺点．     

U形渡槽流固耦合动力作用研究

为了研究强震下渡槽的流固耦合动力作用,本文首先用VOF模型验证了渡槽内水体响应的非线性,然后通过位移有限元方法建立了U形渡槽流固耦合模型,并根据地震作用的特点构造了一组Ricker子波,分别计算了刚、柔性槽体模型的动力时程响应。计算结果表明,渡槽流固耦合动力作用的强度主要受流体晃动频率、槽体自振频率两个因素控制,当外界激励的频率接近这两个频率时,渡槽的流固耦合动力作用将变得十分显著;当激励频率达到水体晃动频率的2倍时,水体主要运动方式将由表面晃动转变为整体惯性运动;地震作用下水体动力响应的非线性可以忽略。这些现象在渡槽抗震设计中应当引起足够的关注。     

基于扩展多面体单元的DEM-SPH耦合算法及应用

对于颗粒材料与流体介质的动力作用可分别通过离散元方法(Discrete Element Method, DEM)和光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)模拟颗粒和流体,并采用DEM-SPH算法计算两种介质间的耦合作用。当颗粒材料采用多面体单元进行模拟时,颗粒单元与流体之间会形成几何形状复杂的流固耦合界面,不宜采用计算效率较低的传统边界粒子方法。为此,该文基于Minkowski Sum方法构造扩展多面体单元,并通过Hertz接触模型计算单元间的接触力,进而建立基于扩展多面体单元的DEM方法;流体介质采用弱可压缩格式的SPH方法。将几何复杂的流固界面耦合作用近似为排斥力模型,从而只对SPH粒子与固体界面进行几何判断即可确定两者的相互作用力。该方法避免了对大量边界粒子进行的相关计算,具有计算简便且适用于复杂固体边界的优点。该文进一步采用基于GPU的并行算法从而实现DEM和SPH的高性能计算以提高DEM-SPH耦合的计算效率。采用以上方法对方柱绕流和溃坝冲击块体过程进行了数值计算,并与相关试验数值和计算结果进行了对比验证,一致性很好,进而说明了该文建立的DEM-SPH耦合方法对颗粒材料与流体介质相互作用数值模拟的合理性和准确性。     

基于椭圆正弦攻角运动振动翼的能量采集性能分析

振动翼作为一种有效的潮流能、风能换能装置,可将潮流或风的动能转化为机械动能推动电机发电。该文通过调整机翼的周期性垂向运动与旋转运动实现机翼与来流的有效攻角控制,来流对机翼的流体动升力可推动机械装置往复运动并转换为电机的转动。假定机翼表面的边界层极薄,黏性仅在边界层内部作用,泻出涡仅从机翼的尾缘处泻出,引入势流理论,采用边界元法与泻出涡模型模拟机翼边界层的外部流场。主要分析了机翼以椭圆正弦为有效攻角运动的振动运动的能量采集性能,计算NACA0012机翼在不同运动频率、振动幅值与有效攻角时的能量采集效率,并分析了椭圆正弦K参数对能量采集的影响,研究实现高效率能量采集的机理。     

沙坑局部含沙水流特性的数值模拟研究

分析了FLUENT流体商业软件用于河流动力学问题研究的难点和可行性,应用混合物模型对存在矩形沙坑的河道分清水和含沙水流2种情况进行了数值模拟并对比分析。计算结果表明:水沙耦合计算模式的混合物模型可以较好地模拟河道中的水沙两相流输移现象;泥沙相对流体的动量影响明显,且降低了收敛速度;泥沙会抑制水流的内部紊动。沙坑内部拐角处会形成涡旋的次生流,造成向上游的溯源冲刷和下游的淤积。     

坝体与库水的流固耦合分析

基于流固耦合分析方法,分别应用势流模式和位移模式2种流体单元模拟库水,并与传统的附加质量方法模拟库水的方法做了比较,结果显示该方法可行;相比附加质量方法,流固耦合方法与理论解更为接近,其中位移模式流体单元对单元形态要求较高。对库水截取区域的敏感性分析表明,流体区域选取3～5倍坝高可以得到较为满意的结果。以重力坝的不同坝顶宽度为例,讨论了需要考虑库水可压缩性的条件,这些成果为后续工作奠定了基础。     

深水叠梁闸门自振特性研究

根据深水中叠梁闸门的工作特点,建立闸门和水体的流固耦合模型,由不同的计算分析方法得出闸门的自振频率和特性,结果表明:流固耦合方法不仅能够说明流体惯性力对闸门的作用,同时还能体现出闸门与水体的相互作用,闸门与水体之间存在惯性耦合作用;流固耦合计算模型选取不同长度水体时,频率曲线逐渐降低并最终趋于水平;闸门第一阶振型存在一定的变化,随着选取水体范围的增大,顺水流方向的局部振动改变为整体顺流向振动。     

基于分布式光纤监测的压力钢管模拟泄漏室内试验

实际运行的压力钢管可能存在腐蚀进而破裂、泄漏的隐患,因此需要开展在役的压力钢管实时安全监测方法研究,实现对泄漏的及时定位、报警。本文基于F-OTDR光纤干涉原理的振动监测方法,开展了模拟压力钢管泄漏的室内试验,系统研究不同泄流条件下的分布式光纤的检测结果。试验结果表明,随着泄流孔孔径的增加和泄流量的增加,泄漏引起的振动信号强度增加,但是由于系统初始扰动能量的存在,仅依据数据分析,难以判断极小泄流量引起的振动信号。本实验中,当泄流量大于1.00L/s时,分布式光纤检测效果较好。     

大型船坞坞室墙施工期有限元分析

拉锚式坞墙结构在大型船坞工程中广泛采用,但船坞的结构计算中,往往引入多种假设,因而无法获得严密的解答.结合启东丰顺船坞坞墙工程施工实际情况,分析拉锚式钢筋混凝土坞墙施工期特点.借助大型三维有限元软件MSC.Marc分别建立4种典型工况有限元计算模型,选取足够大的地基计算范围,以减少地基的影响,得出各工况下坞墙结构位移及应力特点,并将有限元计算结果与实测数据进行比较,以分析施工工序对坞室墙受力的影响.分析表明拉锚结构能够有效降低坞墙体系的水平位移及土体、混凝土结构的有效应力,从而提高拉锚体系的稳定性.当拉锚体系形成之后,原先由部分土体所承受的坞室墙前后荷载差所形成的应力,全部通过钢拉杆传递给锚碇桩,从而明显改善坞室墙及整体的变形.     

基于QR分解及遗传算法的水工结构传感器 优化布置研究

以某排涝泵站牛腿为模型,通过对其进行传感器优化布置,发现传统的优化准则不再适用。为此,提出以振型分析为基础的排除思想,通过删除扭转振型,构建正弦振动的振型矩阵,最后采用本文提出的基于QR分解及遗传算法的优化方法进行优化计算,能够达到很好的优化布置效果。     

均匀来流中大长径比深海立管涡激振动特性

提出了一种对大长径比深海立管涡激振动特性进行三维耦合数值模拟的方法。其中,流场采用大涡模拟方法进行三维数值模拟,结构振动采用基于薄壳模型的有限元方法进行数值计算,并采用一种将流场和结构响应数据进行实时传输的新方法,实现了流体与固体之间的三维耦合数值模拟。在雷诺数Re=3400和11000下,对某长径比为1200的深海立管模型在均匀来流中的横向涡激振动特性进行了数值模拟与分析。结果表明,大长径比柔性立管的横向振动响应对其尾涡动力特性会产生显著影响,包括会出现涡泄频率显著增大和多频涡泄等复杂现象。尽管来流是均匀的,但立管的横向振动响应会出现明显的多模态特征,除了包含有与涡泄频率一致的振动响应外,还包含有其它频率成分的振动响应。特别地,还会出现多种高阶模态振动共存的非对称复杂弯曲变形等现象。研究表明,该方法为研究深海立管涡激振动特性及其工程预报的相关问题提供了一种有效的途径。     

水电机组振动劣化预警模型研究及应用

近年来运行中的水电机组振动稳定性问题日益突出,传统振动预警方法主要通过振动监测值与振动限值的简单比较来实现,存在适用工况范围有限,限值单一的不足。针对传统预警方法的不足,首先收集机组健康状态时的振动数据,并按照功率和水头将机组运行工况细化为若干典型工况,然后求取各典型工况下机组振动健康区间,最终建立水电机组振动劣化预警模型。实例结果表明,该模型能采用数字化和三维可视化两种方式完成水电机组不同工况的振动预警,同时能利用振动历史数据进行自学习,修正各典型工况的振动限值,提高振动预警的准确性,该模型明显优于传统振动预警方法。     

桩基施工对边坡黏土强度影响试验研究

桩基施工过程中会产生持续较大的振动,引起土体累计变形和超静孔压增大,造成土体强度降低。以来福士广场西侧边坡为工程背景,研究黏土边坡在施工振动过程中的强度变化规律。使用测振仪和超低频传感器对现场抗滑桩的振动冲击进行测试,根据振动产生的动应力特征进行室内静、动三轴试验,模拟土单元体原位应力状态和应力路径,并提供试验方法,最后分析了土体强度在施工期间动应力作用下的折减。现场振动测试结果表明:地表出现的最大振动速度可达2 cm/s,且在离桩心26 m处仍然有0.16~0.24 cm/s的振动,同时随着桩基施工深度的增加,土体的振动作用增强。固结不排水条件下的静、动三轴试验结果表明:土体的动强度明显低于静强度,通过做不同围压下的总应力强度包线,测得土体的总强度指标C_cu=49.5 kPa,φ_cu=17.0°,不同影响距离下桩基施工对土体强度的影响符合不同的试验规律。试验边坡黏土符合土体折减的经验曲线,考虑到振动力增大边坡下滑力和振动对土体强度的影响,其综合强度折减系数取0.7~0.8。     

基于速度势法的水电站进水塔弯曲自由振动解析解

介绍了基于速度势解析算法求解水电站进水塔在水中弯曲自由振动的方法。分析进水塔的主要受力特点,为引入流体速度势解析算法对结构进行简化和假设。以分布参数梁体系推导得到无水时进水塔弯曲自由振动频率方程,根据速度势拉普拉斯方程确定了所求解问题的边界条件,通过内外水压力表达式建立进水塔的弯曲自由振动方程。推导振动方程得到频率方程,经过数学软件编程求解,最终可得到结构振型和频率。推导过程表明流体速度势法是将水体转化成与塔体振型相关的质量附加于结构,从而影响结构的振动。与数值方法对比和探讨,分析了两者异同,提出本文方法适用范围。结果表明,本文解法可以引入内外含水矩形横截面进水塔的弯曲自由振动问题的求解,为下一步进水塔地震响应分析提供一种新的思路。     

高坝泄洪诱发场地振动响应分析及传播规律

为研究高坝泄洪诱发场地振动的问题,提出一种基于黏弹性人工边界的有限元数值模拟和水力学模型试验相结合的方法计算场地振动响应。以国内某工程为例,计算不同工况下场地振动响应,分析泄洪量和泄洪调度方式对场地振动的影响,揭示不同岩体条件下振动波的传播规律。结果表明:该工程各种泄洪方式都不会对周边居民的生活造成影响;泄洪量越大,下游场地振动响应越大,当3个溢洪洞泄洪条件一致时,采用2号洞泄洪最不利;同等泄洪条件下,采用4洞均分泄洪的振动响应小于按设计开度泄洪的振动响应;模型范围内放大振动波的主因是断层左右岩体性质的差异,断层的存在进一步加大了放大效应。     

水轮发电机组非平稳振动信号的检测与故障诊断

针对传统方法难以精确检测水轮发电机组的非平稳振动信号以及现有振动故障诊断方法精度低等问题,本文首先引入排列熵算法对其进行检测与分析,进而引入多维度排列熵算法,以实现对非平稳振动信号的特征提取,构造故障样本数据,并将其作为基于遗传算法的支持向量机诊断模型的输入,从而完成故障的诊断与识别。仿真实例表明,排列熵能够有效检测非平稳振动信号的突变,多维度排列熵与支持向量机相结合的故障诊断方法可有效识别机组的异常情况,具有较高的诊断精度。     

基于振动法的岩块纵波波速测试

评价岩体完整性的定量指标K_v取决于岩体与岩块的纵波波速,因此准确地测得岩块纵波波速是评价岩体完整性的关键环节之一。提出了利用振动法测量岩块纵波波速即利用布设在岩块两端横截面中心的两个振动加速度传感器采集振动信号,通过互相关函数计算到时差,从而求得纵波波速。通过振动法和超声波法对不同岩性、尺寸、风化程度的8个岩块进行波速测试,分析了各因素对岩块纵波波速测试结果的影响。结果表明:振动法与超声波法测得的岩块纵波波速最大相对误差为-8.57%。采用振动法测试岩块纵波波速能有效减少频散效应对波速的影响,提高了测试精度。